بخشی از مقاله
چکیده
هتروفولرنهاي نیمرساناي B12N12 ، AlB11N12 و B12PN11 بهعنوان جاذب گازهاي سمی H2S و SO2 براساس نظریه تابعی چگالی محاسبه شد. براي تمام ترکیبها، پارامترهاي ساختاري، شکاف انرژي، تجزیه و تحلیل طبیعی جمعیت، چگالی جزئی سطح، ممان دوقطبی و فرکانسهاي ارتعاشی استخراج شد. فرایند جذب و در فولرن B12N12 با جایگزین کردن اتمهاي Al و P بجاي B و N باعث افزایش میزان جذب می شود. نتایج نشان داد که، در میان قفسههاي مورد مطالعه، ساختار B12PN11 داراي حساسیت بیشتري بود.
چون H2S اثر کمتري بر روي خواص الکترونی دارد پس کمتر جذب می شود. گاز SO2، نسبت به H2S به صورت ضعیفی جذب جاذبها میشود بنابراین گاز SO2 بهتر جذب جاذبها می شود و در بین جاذبها واکنش پذیري به این صورت است که، B12PN11 بیشترین واکنش پذیري سپس AlB11N12 و کمترین واکنش پذیري مربوط به B12N12 می باشد. این بررسی براي توسعه B12N12 براساس سنسورهاي گازي مفید و مبناي نظري براي Al و P داپت شده در B12N12 براي ساخت سنسورهاي گازي را فراهم میکند.
.1 مقدمه
امروزه کنترل خصوصیات اجسام نانو مقیاس، نقش مهمی در شاخههاي مختلف علم همچون فیزیک، شیمی، علم مواد، زیست شناسی، پزشکی، مهندسی و شبیهسازي رایانه اي دارد. فناوري نانو واژهاي است کلی که به تمام فناوريهاي پیشرفته درعرصه کار با مقیاس نانو اطلاق میشود. بعد از کشف نانولولههاي کربن - CNTs - در سال 1991، محققین سریعاً شروع به جستجو براي پیدا کردن مواد دیگري کردند که داراي ساختار لولهاي شکل - لولهاي مانند - هستند.[1] بور نیترید BN یکی از این مواد بود و احتمال تولید نانو لولههاي بور نیترید در سال 1994 پیش بینی شد.
[2] سپس این مواد به طور موفقیت آمیز در سال 1995، سنتز شدند.[3] مشابه نانو لولههاي کربنی، این نانو لولهها نیز داراي ویژگیهاي مکانیکی فوق العادهاي هستند. علت این موضوع، ساختار لولهاي شکل و وجود پیوندهاي مستحکم sp2 در دیوارهي این لوله هاست. مدل الاستیک پیش بینی شده براي این مواد تقریبا برابر با 850 GPa است. نتایج تجربی نشان داده است که مدول اندازهگیري در این مواد در گسترهي 722 GPa تا 1/22TPaمیباشد.
همچنین، مطالعات نظري پیش بینی نموده است که این BNNT یک مادهي عایق است و گاف انرژي الکتریکی آن حدوداً 5/5 eV است. این ویژگیها به قطر و کایرالیتی نانو لولهها، بستگی ندارد. بنابراین بر اساس اندازهگیريهاي رسانایی، تمام BNNT ها رفتار عایق یا نیمه رسانایی از خود نشان می- دهند.[4] به عبارت دیگر، تاکنون بیشتر نانو لولههاي کربنی تولید شده، هم از نانو لولههاي رسانا و هم نارسانا تشکیل شدهاند و جداسازي کامل آنها از هم، مشکل است.
نانو لولههاي بور نیترید همچنین داراي ویژگیهاي شیمیایی پایدارتري هستند. براي مثال، آنها داراي مقاومت بیشتري در برابر اکسیداسیون در دماي بالا هستند. نانولولههاي BN که با استفاده از روش بال میل- آنیلینگ تولید شدهاند، تنها در دماهاي بالاتر از 800℃ اکسید میشوند .[5] برخی BNNT ها که داراي ساختارهاي نانو کریستالی کامل هستند، میتوانند تا دماي 900℃ نیز تحمل حرارتی داشته باشند. این درحالیست که نانو لولههاي کربنی به سهولت در محیط هوا و در دماي 400℃ اکسید میشوند. این نانو لولهها در دماي 700℃ به طور کامل میسوزند.
اگرچه BNNT ها داراي ویژگیهاي قابل توجهی در مقایسه با نانو لولههاي کربنی است، چند تا از ویژگیهاي این ماده مانند ذخیره سازي انرژي، ویژگی نوري، پیزوالکتریک و اثرات پلاریزاسیون الکتریکی در این ماده مورد بررسی کامل قرار داده نشده است.[6] براي بررسی ویژگیها و کاربردهاي BNNT ها، یک مقدار کافی از نمونههايBNNT، ضروري است. این مسئله تا سالهاي اخیر مقدور نشده بود زیرا روشهاي سنتز ابداع شده در قبل توانایی تولید مقدار کافی از این ماده را نداشتند.
عمدهترین راه ورود مواد شیمیایی به بدن از راه تنفس میباشد، لذا بررسی آلایندههاي هوا وجذب انها توسط جاذب ها از اهمیت ویژهاي برخوردار است. به طور کلی این آلایندهها به دو دسته گازها- بخارها و آئروسلها که شامل ذرات معلق جامد یا مایع در هوا میباشند. این آلایندهها منابع متفاوتی دارند و با پراکنده شدن در هواي اطراف خود سبب آلودگی محیطهاي باز و بسته میشوند. آلایندههاي گاز بیشتر در مراکز مختلف مانند کارخانه هاي تولید نفت به وجود می آیند. مهم ترین آلاینده ها شامل گازهاي H2S و SO2 میباشند.
گایدوتی در خصوص ارتباط میان میزان حضور گاز H2S در صنعت گاز ترش و مدیریت بهداشتی این گاز مطالعاتی را انجام داد. وي گاز H2S را عامل سهم مهمی از میزان هوشیاري میداند یعنی با افزایش میزان این گاز هوشیاري کاهش می یابد .[6] گوگرد دياکسید یک گاز بی رنگ است که عمدتاً در اثر سوختهاي فسیلی مثل زغال سنگ ، در پالایشگاهها از طریق سوختن گازهاي زائد در مشعل اصلی، و یا کورههاي زباله سوز در کارخانههاي تولید اسیدسولفوریک و کودشیمیایی و همچنین از طریق اتومبیلها تولید میگردد وعمده ترین عامل آلودگی هوا محسوب می شود.
این گاز در قسمت فوقانی دستگاه تنفسی جذب شده و باعث تورم، تحریک و ترشح مخاط میشود ولی در هوا تولید بخارات سفید میکند که بوي زننده و خفه کنندهاي دارد و در آب و در حلالهاي آبی قطبی الکلها، آمیدها و اترها و در بازها - آمینها - قابل حل بوده و تشکیل نمکهایی میدهد که بر حسب دما جانشین پذیرند و منظور نمکهاي تشکیل شده میباشد. دي هیددروژن سولفید گازي است بی رنگ با بوي تخم مرغ گندیده که درصنایع نفت ،گاز و پتروشیمی موجود است.
این گاز همراه با گاز ترش و از طریق چاههاي گوگردي وارد پالایشگاه میگردد و معمولا پس از جداشدن از گاز ترش - طی عملیات شیرینسازي - به واحد گوگرد سازي منتقل شده و در آنجا تبدیل به گوگرد میگردد یا در پالایشگاههایی که واحد گوگرد سازي ندارند این گاز اسیدي به همراه گاز اسیدي CO2 در کورههاي زباله سوز، سوزانده میشوند گاز H2S همچنین بطور آزاد در فاضلابها دراثر تخمیر مواد عالی بوجود میآید. هوشی و مرگ میشود.
نانوقفسههاي بورنیتریدي کاندیداهاي امیدوار کنندهاي براي عناصر در سیستمهاي با مقیاس نانو هستند. با وجود مطالعات بسیاري که درباره B12N12 انجام شده، تلاشهاي کمی در ارزیابی این نوع از نانو قفسه براي ساخت به عنوان حامل پتانسیل براي جذب گازها شده است .[7] علاوه بر این، مطالعات بسیاري در کاربردهاي بالقوه نانو ساختارها به عنوان جاذب جذب گازها انجام شده است .[8] هدایت الکترونی و کاربردهاي بالقوهي آنها در دستگاهاي مولکولی و مواد کامپوزیتی، نانوقفسههاي B12N12 ثابت شده است.
[9] یکی از چالشهاي اصلی در استفاده کاربردي از نانو ساختارها به عنوان سنسور گاز حساسیت ضعیف آنها است. امروزه بررسی خواص نانو قفسه بور نیتریدي داپت شده، به عنوان یکی از خانوادههاي نانو ساختارها، از جالبترین این موضوعات است.[10] مطالعات قبلی نشان داده است که، نانوقفسه بورنیتریدي داپت شده داراي یک تعامل قوي با گازهاي کوچک دارد[11] با داپت اتمهاي Al و P بر روي ساختارهاي BNNT، C60، B12، وCNT تاثیر جدي بر روي جزئیات الکترونی و جذب گاز دارد.
-2 جزئیات محاسباتی
محاسبات DFT با استفاده از بسته Gaussian 09 انجام شده است. از روش B3LYP و مجموعه پایه p - ، 6-31G - d براي بهینهسازي ساختارها استفاده شده است. ساختارهاي هندسی سیستم بدون هیچ محدودیتی به طور کامل بهینه شده است. سازگاري نانو ساختارهاي بور نیتریدي با پایه B3LYP تایید شده است. انرژي، تجزیه و تحلیل جمعیت طبیعی - NPA - ، انتقال بار - CT - و ساختارهاي الکترونی مورد بررسی قرار گرفت.
